基于单片机控制的红外报警器的设计-毕业设计.doc

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河南理工大学毕业设计（论文）说明书

摘要

随着我国社会与经济的发展，人民生活水平不断提高，人们对区域治安环境以及安全防范的要求也越来越高，同现代化技术高度发展的今天，犯罪更趋智能化，手段更隐蔽，所以保证区域安全必须从运用现代化的防盗报警技术。

本文将系统介绍一种采用新的先进的红外线对射感应模块和人体红外探测装置制作而成的红外监控系统，由于它是利用人眼不可见的红外光束，组成无线监控区域，所以具有极强的保密性和可靠性。

本系统除用于仓库、门窗、围墙、栅栏防盗报警外，也可用于其他需要监控的场合。

本文在绪论中首先介绍综合监控系统的发展、特点、功能及红外监控的相关知识。

第二章中介绍了系统设计的相关知识和软件、硬件的具体设计方案。

在第三章中将重点介绍硬件、软件的安装调试过程及系统调试的结果。

最后我们在结束语中谈谈系统设计的优点、缺点及本次设计的心得收获。

关键词:

红外传感器、单片机、数据采集、报警电路

Abstract

 Withthedevelopmentofsocietytheeconomyofourcountry,thelivingstandardsofthepeopleareimprovingconstantly,people'srequisitionforregionalpublicsecurityenvironmentandsafeprecautionishigherandhigher,atthesametimetodaywhenmodernizedtechnologicalhighdevelop,thecrimeismoreintelligent,themeansisconcealedevenmore,soguaranteethesecurityoftheareamustusethemodernizedwarningtechnologyofguardingagainsttheft.Thistextintroduceinfraredmonitoringsystemthatadoptnewadvancedinfraredraymodule,becausetheinfraredlightbeamofutilizingoutofthehumaneyecansee,makeupandcontroltheareawirelesssohaveextremelystrongprivacyanddependability.Thetextintroducesthedevelopment,characteristic,functionandinfraredrelevantknowledgethatcontrolofthecomprehensivemonitoringsystematfirstintheintroduction.Chaptertwoamonglastwhomsystemdesignweitisrelevantknowledge,softwares,designplansnotconcreteofhardwares.Wefinallytalkaboutadvantage,shortcoming,thegainsthatdesignthatsystemdesignreapamongconclusion.Keyword：

infraredsensor、SCM、datacollection、alarmcircuit

目录

1.绪论 1

1.1课题背景 1

1.2国内外现状 1

1.3设计任务与要求 2

2.红外报警器系统总体设计 3

2.1系统概述 3

2.2主要器件介绍 4

2.2.1热释电红外传感器概述 4

2.2.2AT89C51单片机概述 8

2.3总体设计 14

3.红外报警器系统硬件设计 16

3.1信号检测与放大电路 16

3.1.1电路实现功能 16

3.1.2电路图图2-1信号检测与放大电路 16

3.1.3电子元件介绍 17

3.2LED显示电路 17

3.2.1电路实现功能 17

3.2.2电路图 17

3.2.3电路元件介绍 18

3.2.4电路实现原理 18

3.3报警执行电路 18

3.3.1电路实现功能 18

3.3.2电路图 18

3.3.3电路元件介绍 19

3.3.4电路实现原理 20

3.4手工暂停 20

3.4.1电路实现功能 20

3.4.2电路图 20

3.4.3电路工作原理 21

3.5单片机控制晶振与复位电路 21

3.5.1电路实现功能 21

3.5.2电路图 21

3.5.3电路元器件介绍 21

3.6系统工作原理 23

4.红外报警器系统软件设计 24

4.1软件设计介绍 24

4.2主程序设计 24

4.2.1实现功能 24

4.2.2流程图 24

4.3定时中断程序设计 26

4.3.1实现功能 26

4.3.210s定时流程图 26

4.3.3关键技术 26

4.3.4关键代码 28

4.4解除中断程序设计 31

4.4.1实现功能 31

4.4.2程序流程图 31

4.4.3关键技术 31

4.4.4关键代码 33

结论 35

展望 36

致谢 37

参考文献 38

附录 39

1.绪论

1.1课题背景

随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，人们生活水平得到很大的提高，对私有财产的保护意识在不断的增强，因而对防盗措施提出了新的要求。

本设计就是为了满足现代住宅防盗的需要而设计的家庭式电子防盗系统。

就目前市面上装备主要有压力触发式防盗报警器、开关电子防盗报警器和压力遮光触发式防盗报警器等各种报警器，但这几种比较常见的报警器都存在一些缺点。

而我所研究的防盗报警器采用了热释电红外传感器，它的制作简单、成本低，安装比较方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。

这种防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现，同时它的信号经过单片机系统处理后方便和PC机通信，便于多用户统一管理和用户操作。

1.2国内外现状

近年来，随着改革开放的深入发展，电子电器的飞速发展，人民的生活水平有了很大提高。

各种高档家电产品和贵重物品为许多家庭所拥有。

然而一些不法分子也是越来越多。

这点就是看到了大部分人防盗意识还不够强.造成偷盗现象屡见不鲜。

因此，越来越多的居民家庭对财产安全问题十分担忧。

报警器这时正为人们解决了不少问题，但是市场上的报警器大部分都是用于一些大公司财政机构，价格高昂,一般人们难以接受。

如果再设计和生产一种价廉、性能灵敏可靠的防盗报警器，必将在防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。

由于红外线是不见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。

红外报警器大多数采用国外的先进技术,其功能也非常先进。

其中包括被动式热释电型红外报警器,也即是本文将研究的产品。

还有红外监控无线报警器,超声波防盗报警器,红外线防盗报警器，高灵敏红外报警器,触摸式延时防盗报警器,触摸式防盗报警器,红外报警器,红外线声先报警器等。

此外，在电子防盗、人体探测等领域中，对射红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。

1.3设计任务与要求

（1）该设计包括硬件和软件设计两个部分。

模块划分为数据采集、键盘控制、报警和显示等模块子函数。

（2）本红外线防盗报警系统由热释电红外传感器、家庭智能报警器、单片机控制电路、LED控制电路及相关的控制管理软件组成。

用户终端完成信息采集、处理、数据传送、功能设定、本地显示、本地报警等功能。

终端由中央处理器、输入模块、输出模块、通信模块、功能设定模块等部分组成。

（3）系统可实现功能。

当人员外出时，可把报警系统设置在外出布防状态，探测器工作起来。

当有人闯入时，热释电红外传感器将探测到动作，设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL电平至AT89C51单片机，经单片机处理运算后驱动执行报警电路使警号发声。

（4）红外线具有隐蔽性,在露天防护的地方设计一束红外线可以方便地检测到是否有人出入。

此类装置设计的要点：

其一是能有效判断是否有人员进入；其二是尽可能大地增加防护范围。

当然，系统工作的稳定性和可靠性也是追求的重要指标，至于报警可采用声光信号。

（5）方案讨论,如何使用传感器来简单地实现移动人员检测呢？

在设计这样的系统时，应该记住两个目标：

一是低功率，二是低成本。

这两者都是在设计移动检测系统时需要考虑的关键因素。

2.红外报警器系统总体设计

2.1系统概述

本系统采用了热释电红外传感器，它的制作简单、成本低，安装比较方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。

这种防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现，同时它的信号经过单片机系统处理后方便和PC机通信，便于多用户统一管理和用户操作。

该设计包括硬件和软件设计两个部分。

模块划分为数据采集、键盘控制、报警和显示等模块子函数。

电路结构做成可划分为：

热释电红外传感器、家庭智能报警器、单片机控制电路、LED控制电路及相关的控制管理软件组成。

用户终端完成信息采集、处理、数据传送、功能设定、本地显示、本地报警等功能。

就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。

单片机应用系统也是有硬件和软件组成，硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。

单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计、在线调试等几个阶段，就本设计来说也包括这些过程。

它们的进程框图如图2-1所示。

开始

明确任务

选机型，划分软、硬件

硬件研制

软件设计

联机仿真调试

排出故障、修正软件

固化程序、应用系统独立运行

完成研制

图2-1单片机应用系统研制过程框图

2.2主要器件介绍

2.2.1热释电红外传感器概述

（1）PIR传感器简单介绍

热释电红外线传感器（PIR）是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。

是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置，它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。

将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动览测等。

自然界中存在的各种物体如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波长的红外线，利用红外传感器可对其进行检测。

根据工作原理，红外传感器分为热型和量子型两类，热型红外传感器也称热释电红外传感器或被动红外传感器。

与量子型相比，其频响速度较慢，灵敏度较低，但响应的红外线波长范围较宽，价格便宜，并可在常温下工作。

量子型与热型的特点相反，而且要求冷却条件。

它是目前在防盗报警、火灾检测、自动门、自动水龙头、自动电梯、自动照明，及非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器。

其原因为：

①被测对象自身发射红外线，可不必另设光源；②大气对2～2.6lLm、3～5lLm、8～141Lm三个被称为“大气窗口”的特定波段的红外线吸收甚少，可非常容易被检测；③中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测。

（2）PIR的原理特性

热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成的探测元件。

在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。

由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。

为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10～20米范围内人的行动。

  菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。

当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。

  人体辐射的红外线中心波长为9～10μm，而探测元件的波长灵敏度在0.2～20μm范围内几乎稳定不变。

在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7～10μm，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。

一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同不能抵消，经信号处理而输出电压信号。

在该探测技术中，所谓“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量变化来完成探测目的。

被动红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化，并能使监控报警器产生报警信号，从而完成报警功能。

（3）PIR结构特性及安装

图2-2PIR结构

图2—2是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。

使用时Ｄ端接电源正极，Ｇ端接电源负极，Ｓ端为信号输出。

该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。

它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。

对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。

制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.2～20μm。

为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。

这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。

当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号，然后使该信号先通过一个由C1、C2、R1、R2组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为16Hz，下限截止频率为0.16Hz。

由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有1mv左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为0.1～10Hz左右），所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。

本设计所用的热释电红外传感器就采用这种双探测元的结构。

其工作电路原理及设计电路如图2-3所示,在VCC电源端利用C1和R2来稳定工作电压，同样输出端也多加了稳压元件稳定信号。

当检测到人体移动信号时，电荷信号经过FET放大后，经过C2，R1的稳压后使输出变为高电位，再经过三极管Q2的转化，输出OUT为低电平。

图2-3热释电红外传感器原理图

双探测热释电红外探头的优缺点

优点：

本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。

价格低廉。

缺点:

（1）容易受各种热源、光源干扰。

（2）被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。

  （3）易受射频辐射的干扰。

  （4）环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度降低，有时造成短时失灵。

抗干扰性能：

　　a、防小动物干扰：

探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上的小动物，一般不产生报警。

　　b、抗电磁干扰：

探测器的抗电磁波干扰性能符合要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。

　　c、抗灯光干扰：

探测器在正常灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射,不产生报警。

4）热释电红外传感器的安装要求

热释电红外人体传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系。

正确的安装应满足下列条件：

1、热释电红外传感器应离地面2.0～2.2米。

　　2、热释电红外传感器远离空调、冰箱、火炉等空气温度变化敏感的地方。

　　3、热释电红外传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。

　　4、热释电红外传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上，热释电红外传感器也不要安装在有强气流活动的地方。

热释电红外传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。

热释电红外传感器对于径向移动反应最不敏感，而对于横切方向（即与半径垂直的方向）移动则最为敏感。

在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。

2.2.2AT89C51单片机概述

1）AT89C51单片机的结构

AT89C51单片机是intel公司推出的高档8位单片机，由CPU、振荡器与时序电路、4KB的ROM、256B的RAM、两个16位的定时器/计数器T0和T1、4个8位的I/O端口P0、P1、P2、P3、串行口等组成。

其中振荡器时序电路与外时钟组成了定时控制部件。

图2-4为AT89C51单片机的基本组成功能方块图。

有图可见，在这一块芯片上，集成了一台微型计算机的主要组成部分，其中包括CPU、存储器、可编程I/O口、定时器/计数器、串行口等，各部分通过内部总线相连。

下面介绍几个主要部分。

外时钟源外部事件计数

振荡电路和时序OSC

程序存储器

4KBROM

数据存储器

256BRAM/SFR

2×16位

定时器/计数器

AT89S51

CPU

64KB总线

扩展控制器

可编程I/O

可编程全双工串行口

内中断

外中断控制P3P2P1P0RXDTXD

图2-4AT89C51功能方块图

（1）中央处理器（CPU）

中央处理器是单片机最核心的部分，是单片机的大脑和心脏，具有运算和控制功能。

AT89C51的CPU是一个字长为8位的中央处理单元，即它对数据的处理是按字节为单位进行的。

CPU从功能上可分为运算器和控制器两部分。

运算器由算术逻辑运算部件ALU、累加器、暂存器程序状态字寄存器PSW、BCD码运算调整电路组成。

控制器由程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器、定时控制与条件转移逻辑电路等组成。

（2）内部数据存储器（内部RAM）

AT89C51中共有256个RAM单元，但其中能作为寄存器供用户使用的仅有前面128个，后128个被专用寄存器占用。

对于一般微机通常只有一个存储器逻辑空间，可以随意安排ROM或RAM，访问存储器时，同一地址对应唯一的存储单元，可以使ROM也可以使RAM，并用同类指令访问。

而AT89C51单片机的存储器配置在物理结构上有四个存储空间，即片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。

AT89C51单片机有三个存储器地址空间，即片内外统一编址的64KB的程序存储器地址空间、片内256B的数据存储器地址空间和片外64KB的数据存储器地址空间。

（3）内部程序存储器（内部ROM）

AT89C51共有4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据等。

（4）定时器/计数器

AT89C51共有2个16位的定时器/计数器T0和T1，可以实现定时和计数功能。

（5）并行I/O口

AT89C51共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3口），共32根I/O线，4个端口是准双向口。

每个口都包含一个锁存器（即特殊功能寄存器P0、P1、P2、P3），一个输出驱动器和一个输入缓冲器。

可以实现数据的并行输入、输出，在访问片外扩展存储器时，低8位地址和数据由P0口分时传送，高8位地址由P2口传送。

在无片外扩展存储器的系统中，这2个口的每一位均可作为准双向的I/O端口使用。

（6）串行口

AT89C51有1个全双工的可编程串行口，以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。

（7）时钟电路

AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入和输出分别是引脚XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接时钟源即可构成时钟电路，时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。

（8）终端系统

AT89C51的中断系统功能较强，可以满足一般控制应用的需要。

它共有5个中断源：

2个外部中断源/INTO和/INT1；3个内部中断源，即2个定时/计数中断，1个串行口中断。

由上所述，AT89C51虽然是一块芯片，但它包括了构成计算机的基本部件，因此可以说它是一台简单的计算机。

AT89C51较详细的内部结构如图2-5所示。

图2-5AT89C51内部结构框图

2）管脚说明

ATMEL公司的AT89C51是一种高效微控制器。

采用40引脚双列直插封装（DIP）形式，如图2-6所示。

AT89C51单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。

图2-6AT89C51引脚图

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势